Введение к работе
з Актуальность темы
Одной из основных тенденций развития систем телекоммуникаций является повсеместное внедрение беспроводных локальных сетей, а также развитие персональных сетей передачи данных. Требование к скорости передачи информации в данных сетях постоянно возрастает, в то время как площадь развертывания данных сетей уменьшается и увеличивается плотность пользователей. Однако скорость передачи данных, которая обеспечивается в рамках существующих стандартов, перестает удовлетворять растущим потребностям.
Это обстоятельство привело к развитию новых сверхширокополосных (СШП) технологий передачи данных, использующих различные виды сигналов, которых объединяет одно - широкая полоса и, как следствие, возможность передачи информации с большой скоростью. На сегодняшний день можно выделить две основные группы СШП сигналов. Первую группу представляют сигналы с синусоидальной несущей порядка нескольких ГГц и очень широкой абсолютной полосой порядка несколько сотен МГц. Вторую - сигналы, представляющие собой последовательности сверхкоротких импульсов, модулированных по амплитуде, положению или иному параметру. Длительность таких импульсов составляет порядка нескольких сотен пикосекунд, и, как следствие, импульсные СШП (ИСШП) сигналы обладают не только широкой абсолютной (порядка одного ГГц и более), но и относительной полосой. ИСШП сигналы обладают тем свойством, что позволяют повторно использовать те участки спектра, которые уже заняты узкополосными системами, при этом типичная спектральная мощность сигнала может не превышать значения, допустимого для непреднамеренного побочного электромагнитного излучения различных электронных приборов.
Построение упомянутых локальных и персональных сетей на основе СШП сигналов предполагается на достаточно ограниченном пространстве -максимум в пределах одного здания, типично - в пределах одного или нескольких сопредельных помещений, в пределах одного этажа здания.
Практические исследования показывают, что в подобных условиях распространение СШП сигналов, как с несущей, так и импульсных, имеет сложный многолучевой характер, с характерным свойством лучей собираться в пространственные пучки - кластеры. Таким образом, актуальным становится синтез алгоритмов совместной пространственно-временной обработки СШП сигналов. Пространственно-временная обработка позволяет улучшить прием сигнала и повысить емкость системы связи.
Целью работы является синтез и анализ алгоритмов пространственно-временной обработки СШП сигналов, используемых в локальных сетях передачи информации, прошедших многолучевой канал распространения. Для реализации этой цели в диссертационной работе поставлены и решены следующие задачи: 1. Построение и расчет вероятностно-статистических характеристик
пространственной кластерной модели СШП сигнала с несущей,
прошедшего многолучевой канал распространения, в которой кластер
4 лучей, не разрешимых в пространстве, рассматривается как единое целое, но не аппроксимируется одним лучом.
-
Синтез оптимальных и квазиоптимальных алгоритмов пространственно-временной обработки кластера лучей СШП сигнала с несущей.
-
Анализ характеристик пространственной обработки синтезированного квазиоптимального алгоритма с учетом априорных ограничений на неизвестные пространственные параметры принимаемого сигнала.
-
Исследование корреляционных характеристик по временным параметрам и углу прихода ИСШП сигналов, модулированных современными модуляционными кодами.
-
Исследование влияния модуляции ИСШП сигналов на их разрешающую способность и потенциальную точность оценки задержки, периода и угла прихода.
Методы проведения исследований. При решении поставленных задач в диссертации используются методы статистической радиофизики, математического анализа, теории вероятности, теории статистических решений. Для экспериментального исследования характеристик алгоритмов обработки сигналов на фоне помех использовались методы статистического моделирования с помощью пакета Matlab. Для расчета и построения графиков теоретических зависимостей использовался пакет Mathcad.
Научная новизна работы. В данной работе получены следующие новые научные результаты
-
Предложена применительно к локальным беспроводным сетям пространственная кластерная модель СШП сигнала с несущей, прошедшего канал с рассеянием, получены формулы для расчета вероятностно-статистических характеристик такой модели.
-
Синтезированы оптимальный и квазиоптимальный алгоритмы обработки для пространственной кластерной модели СШП сигналов с несущей.
-
Аналитически и методом статистического моделирования исследовано поведение смещения, дисперсии и границы Крамера-Рао оценок максимального правдоподобия пространственных параметров СШП сигнала с несущей. Установлено наличие и проведено подробное исследование краевых эффектов, проявляющихся в поведении характеристик данных оценок вследствие ограниченности априорного интервала оцениваемых параметров сигнала.
-
Получены и исследованы обобщенная функция неопределенности (ОФН) и энергетическая диаграмма направленности (ЭДН) для ИСШП сигналов с новыми видами модуляционных кодов. Определены условия, при которых возможно устранение побочных максимумов ОФН и ЭДН в заданных временных и угловых интервалах.
-
Получены и проанализированы формулы для расчета информационной матрицы Фишера оценки параметров ИСШП сигнала - задержки, периода следования импульсов, угла прихода, а также зависимость матрицы рассеяния оценок данных параметров от кодовой модуляции составных ИСШП сигнала.
Практическая ценность. С использованием разработанных оптимальных
5 и квазиоптимальных алгоритмов пространственно-временной обработки можно строить приемные устройства для приема СШП сигналов, прошедших многолучевые каналы распространения. Результаты исследований позволяют рассчитать помехоустойчивость таких устройств.
Результаты анализа корреляционных и иных свойств модулирующих кодов, имеющих различную сложность в практической реализации, позволяют на практике принимать решения об использовании тех или иных модуляционных кодов.
Достоверность. Достоверность результатов, полученных в диссертационной работе, подтверждается корректностью использования математического аппарата, совпадением полученных теоретических зависимостей с результатами статистического моделирования, а также совпадениями с известными результатами в частных случаях.
Апробация работы. Результаты исследований, приведенные в данной диссертации, были представлены в виде докладов и обсуждались на:
- XII, XIII, XIV Международных конференциях «Цифровая обработка
сигналов и ее применения - DSPA», Москва, 2010, 2011, 2012 гг.
- XVII, XVIII Международных научно-технических конференциях
«Радиолокация, навигация, связь - RLNC», Воронеж, 2011, 2012 гг.
VII Международной научно-технической конференции, посвященной 150-летию со дня рождения А.С. Попова, Самара, 2008 г.
VI Всероссийской научно-практической конференции «Современные проблемы создания и эксплуатации радиотехнических систем», Ульяновск, 2009 г.
Публикации. По теме исследования опубликовано 11 печатных работ, четыре из которых в периодических изданиях, рекомендованных ВАК РФ для публикации основных результатов диссертации.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех разделов, заключения, списка литературы из 72 наименований, и приложения. Объем работы вместе с приложением составляет 166 страниц, в том числе 155 страниц основного текста, 2 таблицы и 52 рисунка.
